高分子膜分离材料要点课件

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1、 高分子膜分离材料与膜分离技术高分子膜分离材料与膜分离技术1.1 概述概述1.1.1 膜分离技术的发展简史膜分离技术的发展简史 1748年，年，Nelkt发现谁能自发的扩散到装有酒精发现谁能自发的扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。 19世纪，人们对溶剂的渗透现象有了明确认识，世纪，人们对溶剂的渗透现象有了明确认识，发现天然橡胶对某些气体的不同渗透率，提出利发现天然橡胶对某些气体的不同渗透率，提出利用多孔膜分离气体混合物的思路。用多孔膜分离气体混合物的思路。 1855年，年，Fick用陶瓷管侵入用陶瓷管侵入硝酸纤维素硝酸纤维素乙醚溶乙醚溶液制备囊袋型超

2、滤半渗透膜，用以渗透生物学流液制备囊袋型超滤半渗透膜，用以渗透生物学流体溶液。体溶液。 1907年，年，Bechhold指出滤膜孔径可以用改变指出滤膜孔径可以用改变火胶棉溶液的溶度来控制，从而可制出不同孔径火胶棉溶液的溶度来控制，从而可制出不同孔径的膜，并列出相应过滤颗粒物质梯级表。的膜，并列出相应过滤颗粒物质梯级表。 1918年，年，Zsigmondy等人提出了商品规模生等人提出了商品规模生产硝酸纤维素微孔滤膜的方法，产硝酸纤维素微孔滤膜的方法， 1921年获的专年获的专利。利。 v 30年代微孔过滤，分离和富集微生物和极细粒子。年代微孔过滤，分离和富集微生物和极细粒子。v 40年代出现了基

3、于渗析原理的年代出现了基于渗析原理的人工肾人工肾。v 50年代电渗析获得工业应用。年代电渗析获得工业应用。v 60年代研制成功醋酸纤维素非对称膜和中空醋酸年代研制成功醋酸纤维素非对称膜和中空醋酸膜，这是在膜分离技术发展中两个重大突破，对膜膜，这是在膜分离技术发展中两个重大突破，对膜分离技术起了重要推动作用使反渗透，超滤和气体分离技术起了重要推动作用使反渗透，超滤和气体分离进入实用性阶段。分离进入实用性阶段。v 70年代超滤和液膜；年代超滤和液膜；80年代气体分离；年代气体分离；90年代渗年代渗透汽化透汽化 1.1.2 膜分离与膜分离技术的概念膜分离与膜分离技术的概念 膜分离膜分离是利用薄膜对混

4、合物组分的是利用薄膜对混合物组分的选择性透过选择性透过性性能使混合物分离的过程。能使混合物分离的过程。 如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层如果在一个流体相内或两个流体相之间有一薄层凝聚相物质把流体分隔开来成为两部分这一邻居相凝聚相物质把流体分隔开来成为两部分这一邻居相物质就是膜。物质就是膜。 膜在生产和研究中的使用技术被称为膜技术。膜在生产和研究中的使用技术被称为膜技术。 1.1.3 膜分离技术的特点和优点膜分离技术的特点和优点 膜分离过程的主要特点是已具有选择透过性的膜膜分离过程的主要特点是已具有选择透过性的膜作为组分分离的手段。其推动力有浓度差，压力差，作为组分分离的手段。其推动力

5、有浓度差，压力差，分压差和电位差。分离过程可概述为三种形式：分压差和电位差。分离过程可概述为三种形式：渗渗析式膜分离；过滤式膜分离；液膜分离。析式膜分离；过滤式膜分离；液膜分离。 膜分离技术的优点很多，该过程膜分离技术的优点很多，该过程没有相的变化没有相的变化，所以能耗低，成本也低。分离过程一般在所以能耗低，成本也低。分离过程一般在常温下进常温下进行行，可避免某些物质在分离过程中出现高温分级，可避免某些物质在分离过程中出现高温分级，浓缩与富集现象发生。分离装置简单，操作容易，浓缩与富集现象发生。分离装置简单，操作容易，制造方便，所以应用很广。制造方便，所以应用很广。1.1.4 膜的分类膜的分类

6、 a.按膜的材料分按膜的材料分 b.按膜的分离原理及适用范围分类按膜的分离原理及适用范围分类 根据分离膜的根据分离膜的分离原理和推动力分离原理和推动力不同，可不同，可将其分为微孔膜，超过滤膜，反渗透膜。纳将其分为微孔膜，超过滤膜，反渗透膜。纳滤膜，渗析膜，电渗析膜渗析蒸发膜等。滤膜，渗析膜，电渗析膜渗析蒸发膜等。c.按膜断面的物理形态分类按膜断面的物理形态分类 根据分离膜断面的物理形态不同，可将其根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为对称膜，不对称膜，复合膜等。分为对称膜，不对称膜，复合膜等。 1.1.5 膜分离过程的类型膜分离过程的类型 分离膜的基本功能是从物质群中有选择地分离膜的基本功能

7、是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，透过或输送特定的物质，如颗粒，分子，离如颗粒，分子，离子等。或者说物质的分离是通过膜的选择透子等。或者说物质的分离是通过膜的选择透过性实现的。几种主要的膜分离过程及传递过性实现的。几种主要的膜分离过程及传递机理如下：机理如下：1.2 微滤微滤 1.2.1 微孔过滤微孔过滤 微孔过滤技术始于十九世纪中叶，微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质的筛分作用进行分为推动力，利用筛网状过滤介质的筛分作用进行分离的膜过程离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。 微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在微孔膜

8、是均匀的多孔薄膜，厚度在90150um左右左右，过滤粒径在，过滤粒径在0.02510um之间之间，操作压力在，操作压力在0.010.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有十三类，总计膜约有十三类，总计400多种。多种。 1.2.2 微孔过滤的优点微孔过滤的优点 a.孔径均匀，过滤精度高，能将液体中所孔径均匀，过滤精度高，能将液体中所有大于指定孔径的微粒全部截留；有大于指定孔径的微粒全部截留； b. 孔隙大，空隙率高达孔隙大，空隙率高达80%左右，因而左右，因而阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；倍； c. 滤膜

9、一般为高分子材料，过滤没有纤滤膜一般为高分子材料，过滤没有纤维和碎屑脱落，可得到高度纯洁的滤液维和碎屑脱落，可得到高度纯洁的滤液； d. 大于孔径的微粒不会因压力增加而穿大于孔径的微粒不会因压力增加而穿过滤膜过滤膜 ，当压力波动时也不知影响过滤效率；，当压力波动时也不知影响过滤效率； e.滤层薄，质量小，对滤液或滤液中的滤层薄，质量小，对滤液或滤液中的有效成分吸附量小，因而可减少贵重物料的有效成分吸附量小，因而可减少贵重物料的损失。损失。微滤的应用微滤的应用 微滤可以分离溶液中微滤可以分离溶液中大于大于0.05um左右的左右的微细粒子，所以它的应用很广泛。微细粒子，所以它的应用很广泛。（1）气

10、体，溶液和水的净化过滤）气体，溶液和水的净化过滤 大气中悬浮着尘埃，灰烬，纤维，毛发，花粉，大气中悬浮着尘埃，灰烬，纤维，毛发，花粉，细菌，病毒等组成的混合物，他们很轻，能长期悬细菌，病毒等组成的混合物，他们很轻，能长期悬浮在大气中。使用微滤膜可对其清洁过滤。浮在大气中。使用微滤膜可对其清洁过滤。（2）食糖与酒类的精致）食糖与酒类的精致 微孔滤膜对食糖溶液和啤酒，黄酒等酒类进行微孔滤膜对食糖溶液和啤酒，黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质，酒类中的酵母，霉菌过滤，可除去食糖中的杂质，酒类中的酵母，霉菌和其微生物，提高食糖的纯度，使酒类产品清澈，和其微生物，提高食糖的纯度，使酒类产品清澈，存放

11、期延长。存放期延长。（3) 药物中除菌和微粒药物中除菌和微粒 热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中，对热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中，对于热敏性药物不能热灭菌，对于这类情况微滤有突于热敏性药物不能热灭菌，对于这类情况微滤有突出的优点，常温操作不至于引起药物的损失和变性，出的优点，常温操作不至于引起药物的损失和变性，细菌被截留无细菌尸体残留在药物中。细菌被截留无细菌尸体残留在药物中。 （4）生物和微生物检测，化验和诊断）生物和微生物检测，化验和诊断 生物化学和微生物的研究中，可用不同生物化学和微生物的研究中，可用不同孔径的微孔滤膜收集细菌，酶，蛋白质等，孔径的微孔滤膜收集细菌，酶，蛋白质等

12、，以供检查和分析，还可以用于药品，饮料的以供检查和分析，还可以用于药品，饮料的无菌检验等等。无菌检验等等。1.3 超滤超滤 1.3.1 超滤及超滤膜超滤及超滤膜 超过滤简称超滤，超过滤简称超滤，是以压力差为推动力的是以压力差为推动力的膜分离过程，分离截留的机理为筛分，膜分离过程，分离截留的机理为筛分，小于小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，大孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，大于孔径的微粒被截留。膜上微孔的尺寸和形于孔径的微粒被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离性质。状决定膜的分离性质。 超滤膜为不对称膜，形式有平板式，卷式，超滤膜为不对称膜，形式有平板式，卷式，管式和中空纤维状等。

13、超滤膜一般由管式和中空纤维状等。超滤膜一般由表面活表面活性层，过渡层，支撑层性层，过渡层，支撑层三层组成。支撑层起三层组成。支撑层起支撑作用，提高膜的机械强度，膜的分离性支撑作用，提高膜的机械强度，膜的分离性能主要取决于表面活性层和过渡层。能主要取决于表面活性层和过渡层。 超滤膜的材料主要有超滤膜的材料主要有聚砜，聚酰胺，聚丙聚砜，聚酰胺，聚丙烯晴和醋酸纤维素烯晴和醋酸纤维素等，超过滤的工作条件取等，超过滤的工作条件取决于膜的材质。决于膜的材质。1.3.2 超滤的应用超滤的应用 超滤技术主要用于含超滤技术主要用于含分子量分子量500500000的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分的微粒溶液的

14、分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，他的应用领域涉及化工，食品，离过程之一，他的应用领域涉及化工，食品，医药，生化等。医药，生化等。 （1）纯水的制备。超滤技术广泛用于水）纯水的制备。超滤技术广泛用于水中细菌，病毒和其他异物的除去，用于制备中细菌，病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水，电子工业超净水，和医用无菌高纯饮用水，电子工业超净水，和医用无菌水等。水等。 （2）汽车，家具等制品电泳涂装淋洗水的）汽车，家具等制品电泳涂装淋洗水的处理。处理。 （3）食品中工业废水的处理。）食品中工业废水的处理。 （4）果汁，酒等饮料的消毒与澄清。）果汁，酒等饮料的消毒与澄清。 （5) 在医药和生化工业

15、中用于处理热敏性在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等。取药物等。 （6）造纸厂的废水处理）造纸厂的废水处理1.4反渗透反渗透 反渗透的原理反渗透的原理 如图所示，如果将淡水和盐水用一种只能透过水如图所示，如果将淡水和盐水用一种只能透过水而不能透过溶质的半透膜隔开，淡水会自发的透过而不能透过溶质的半透膜隔开，淡水会自发的透过半透膜渗透至盐水一侧，这种现象叫半透膜渗透至盐水一侧，这种现象叫渗透渗透。这一过。这一过程的推动力为水的渗透压。程的推动力为水的渗透压。 渗透达到平衡后在盐测加压使盐水测大与纯水测渗透达到平衡后在

16、盐测加压使盐水测大与纯水测压差大于渗透压，那么盐水中的水将通过半透膜流压差大于渗透压，那么盐水中的水将通过半透膜流向纯水侧，这种现象叫向纯水侧，这种现象叫反渗透。反渗透。反渗透膜反渗透膜 反渗透膜主要是不对称膜，复合膜和中空反渗透膜主要是不对称膜，复合膜和中空纤维膜。反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素，纤维膜。反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素，聚酰胺，无机的多孔膜等。聚酰胺，无机的多孔膜等。 反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，反渗透膜的分离机理至今尚有许多争论，主要主要有氢键理论，选择吸附有氢键理论，选择吸附毛细管流动毛细管流动理论，溶解扩散理论。理论，溶解扩散理论。反渗透膜技术的应用反渗透膜技术

17、的应用 反渗透过程是从溶液中分离出溶剂，并反渗透过程是从溶液中分离出溶剂，并且分离过程无相变化，不耗用化学样品，因且分离过程无相变化，不耗用化学样品，因此它的应用范围很广。此它的应用范围很广。 （1）以渗透液为产品，制取各种品质的）以渗透液为产品，制取各种品质的水，如海水，苦咸水的淡化制取生活用水，水，如海水，苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。 （2）在医药，食品工业中用以浓缩药液，）在医药，食品工业中用以浓缩药液，果汁，咖啡浸液等。果汁，咖啡浸液等。 （3）染印，食品，造纸等工业中用于处）染印，食品，造纸等工业中用于处理污水，回

18、收利用废液中有用的物质等。理污水，回收利用废液中有用的物质等。反渗透，超滤，微滤的比较反渗透，超滤，微滤的比较 反渗透，超滤，微滤都是以压力差为推动反渗透，超滤，微滤都是以压力差为推动力使溶剂通过膜分离的过程，他们组成了分力使溶剂通过膜分离的过程，他们组成了分离溶液中的离子，分子到固体粒子的三级膜离溶液中的离子，分子到固体粒子的三级膜分离过程。一般分离溶液中分子量小于分离过程。一般分离溶液中分子量小于500采采用反渗透膜，分子量大于用反渗透膜，分子量大于500选择超滤膜。分选择超滤膜。分离溶液中的直径离溶液中的直径0.110um的例子选择微孔膜。的例子选择微孔膜。但三者分界不严格，它们之间可能

19、存在一定但三者分界不严格，它们之间可能存在一定重叠。重叠。1.5 离子交换膜离子交换膜 离子交换膜的分类离子交换膜的分类 （1）按可交换离子性质分类可分为）按可交换离子性质分类可分为阳离子阳离子交换膜，阴离子交换膜和双极离子交换膜交换膜，阴离子交换膜和双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子，这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子，阴离子和阴阳离子。阴离子和阴阳离子。 （2）按膜的结构和功能分类可将离子交换膜分为）按膜的结构和功能分类可将离子交换膜分为普通离子交换膜，双极离子交换膜和镶嵌膜。普通离子交换膜，双极离子交换膜和镶嵌膜。 普通离子交换膜一般为均相膜，利用其对一普通离子交换膜

20、一般为均相膜，利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；双极离子价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；双极离子交换膜有阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，交换膜有阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜有排列整齐的阴阳主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜有排列整齐的阴阳离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩，离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩，有机物质的分离等。有机物质的分离等。 离子交换树脂的应用和工作原理离子交换树脂的应用和工作原理 （1）电渗析）电渗析 在盐水的水溶液中置入阴阳两个电极，并在盐水的水溶液中置入阴阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子向阴极移

21、动，施加电场，则溶液中的阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，这一过程叫阴离子向阳极移动，这一过程叫电泳电泳。如果。如果在阴阳两极之间插入一张离子交换膜，则阳在阴阳两极之间插入一张离子交换膜，则阳离子或阴离子会选择性通过膜，这一过程叫离子或阴离子会选择性通过膜，这一过程叫电渗析电渗析。 电渗析的核心是离子交换膜。在直流电电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作用下以电位差为推动力，利用离子交场的作用下以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的谈化，浓缩及钝化；也可出来，实现溶液的谈化，浓缩及钝化；也可以实现盐的电解，制

22、备氢气和氢氧化钠等。以实现盐的电解，制备氢气和氢氧化钠等。（2）加压渗析）加压渗析 在离子交换膜的一面加压可增加电动势。在离子交换膜的一面加压可增加电动势。电动势与膜两侧的压力差有关。这个关系式电动势与膜两侧的压力差有关。这个关系式可表达为：可表达为：= -p，其中，其中值是电渗析值是电渗析参数，对阴离子交换膜为负值，对阳离子交参数，对阴离子交换膜为负值，对阳离子交换膜为正值。换膜为正值。（3）膜电解）膜电解 膜电解的基本原理可以通过膜电解的基本原理可以通过NaCl水溶液的电解水溶液的电解来说明。在两个电极之间加上一定电压，则极性生来说明。在两个电极之间加上一定电压，则极性生成氯气，阳极生成氢

23、气和氢氧化钠。阳离子交换膜成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。阳离子交换膜允许允许Na+渗透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子渗透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动，在阳极室的反应：向阴极的运动，在阳极室的反应： 用氟代烃单极或极膜制备的的电渗析器已用氟代烃单极或极膜制备的的电渗析器已成为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了成为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了其他制备氢氧化钠的制备。其他制备氢氧化钠的制备。 如果在膜的一面涂上一层阴极的催化，在如果在膜的一面涂上一层阴极的催化，在另一面涂一层阳极催化在这两个电极上加上另一面涂一层阳极催化在这两个电极上加上的电压，则可电解水，在阳极产生氢气，

24、而的电压，则可电解水，在阳极产生氢气，而在阴极生产氧气。在阴极生产氧气。1.6 渗透蒸发技术渗透蒸发技术 渗透蒸发式近十年来颇为人注目的一项膜渗透蒸发式近十年来颇为人注目的一项膜分离技术。在传统分离手段难以处理的共沸物、分离技术。在传统分离手段难以处理的共沸物、近沸点物系的分离及微量水的脱除等领域中显近沸点物系的分离及微量水的脱除等领域中显示出独特的优势。示出独特的优势。其一次分离度高、实施简单其一次分离度高、实施简单无污染、低能耗无污染、低能耗，尤其是与精馏、萃取、吸收、，尤其是与精馏、萃取、吸收、结晶等传统分离手段相结合，显示出强大的生结晶等传统分离手段相结合，显示出强大的生命力。命力。1

25、.6.1 渗透蒸发过程渗透蒸发过程 渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物透过来分离液体混合物。如图所示：。如图所示： 渗透蒸发所用的膜是渗透蒸发所用的膜是致密的高分子膜致密的高分子膜，描，描述渗透蒸发过程的两个过程的两个基本参数述渗透蒸发过程的两个过程的两个基本参数是渗透通量是渗透通量J（g/m2h）及分离系数）及分离系数。1.6.2 渗透蒸发膜渗透蒸发膜 渗透蒸发膜是整个渗透蒸发膜是整个PV过程的关键部分，过程的关键部分，所以目前国内外的研究大部分都集中于所以目前国内外的研究大部分都集中于PV膜膜的开发上。膜性能是由膜的物理化学结构决的

26、开发上。膜性能是由膜的物理化学结构决定。化学结构指膜的高分子链的种类与空间定。化学结构指膜的高分子链的种类与空间构型，物理结构指膜的孔度、孔的分布、形构型，物理结构指膜的孔度、孔的分布、形状、以及结晶度、交联度、分子链的取向等，状、以及结晶度、交联度、分子链的取向等，这决定于膜的制备过程。这决定于膜的制备过程。衡量一张膜的实用衡量一张膜的实用性有以下四个指标性有以下四个指标：膜的选择性；膜的选择性；膜的膜的渗透通量；渗透通量；膜的机械强度；膜的机械强度；膜的稳定性。膜的稳定性。所以，在膜的开发中必须将这四个因素综合所以，在膜的开发中必须将这四个因素综合起来考虑。起来考虑。（1）PV膜材料的选择

27、膜材料的选择 膜是否具有良好的膜是否具有良好的选择性选择性是首先要考虑的。是首先要考虑的。基于溶解扩散理论。只有对需要分离的基于溶解扩散理论。只有对需要分离的某组分某组分有亲和性的高分子物质才有可能作为膜材料。有亲和性的高分子物质才有可能作为膜材料。把渗透组分与膜之间的作用因素归结为四种：把渗透组分与膜之间的作用因素归结为四种：色散力、偶极力、氢键、空间位阻、并给出了色散力、偶极力、氢键、空间位阻、并给出了一个基于一个基于Hannsen溶解度参数分量的判据：溶解度参数分量的判据： IM越小，表明膜与组分越小，表明膜与组分的亲和力越的亲和力越大。对于待分离的大。对于待分离的A、B混合物，以混合物

28、，以AM/BM作为衡量膜的溶解选择性的尺作为衡量膜的溶解选择性的尺度，因此可作为膜材料选择的一个基础。度，因此可作为膜材料选择的一个基础。比比如要是如要是A组分透过组分透过B组分滞留，则要选择一种组分滞留，则要选择一种膜使膜使AM/BM最小。最小。（2）PV膜的制备膜的制备 膜的制备过程与上述四个指标关系很大，铸膜液膜的制备过程与上述四个指标关系很大，铸膜液浓度，所用溶剂，成膜环境，脱溶剂的方法、步骤、浓度，所用溶剂，成膜环境，脱溶剂的方法、步骤、条件都可能对最终的膜性能产生影响。根据制备工艺条件都可能对最终的膜性能产生影响。根据制备工艺的不同，渗透蒸发膜可分为三类：对称膜、非对称膜、的不同，

29、渗透蒸发膜可分为三类：对称膜、非对称膜、复合膜。复合膜。 对称膜是基于对称膜是基于Loeb-Sourirajan的的相转化法相转化法制成制成的具有表面致密层的多孔膜。表面的致密层主宰膜的的具有表面致密层的多孔膜。表面的致密层主宰膜的分离性能，而多孔层只起一个支撑作用。相转化法包分离性能，而多孔层只起一个支撑作用。相转化法包括以下四步：将铸膜液在玻璃板上流涎成膜，讲膜中括以下四步：将铸膜液在玻璃板上流涎成膜，讲膜中溶剂部分挥发，一起放入凝胶液中使凝胶化，脱除膜溶剂部分挥发，一起放入凝胶液中使凝胶化，脱除膜中残余溶剂与凝胶化剂。中残余溶剂与凝胶化剂。 研究表明，影响非对称膜性能的主要因素研究表明，

30、影响非对称膜性能的主要因素是：铸膜液浓度及溶剂、凝胶化剂、凝胶化温是：铸膜液浓度及溶剂、凝胶化剂、凝胶化温度、凝胶化前后膜的干燥方式。度、凝胶化前后膜的干燥方式。 复合膜是将超薄的致密活性层附在一层多复合膜是将超薄的致密活性层附在一层多孔、惰性但结构稳定的支撑层上，最下面再附孔、惰性但结构稳定的支撑层上，最下面再附以一层纤维布予以增强，这样既以一层纤维布予以增强，这样既由于致密层的由于致密层的变薄增加了渗透速率，又有足够的机械强度变薄增加了渗透速率，又有足够的机械强度。（3）渗透蒸发膜）渗透蒸发膜 膜材料大体上分为两类，一类是天然高分子物质，膜材料大体上分为两类，一类是天然高分子物质，另一类是

31、合成高分子物质。另一类是合成高分子物质。 天然高分子膜有醋酸纤维素、羧甲基纤维素、胶天然高分子膜有醋酸纤维素、羧甲基纤维素、胶原、壳聚糖等。这类膜的特点是亲水性耗，对水的分原、壳聚糖等。这类膜的特点是亲水性耗，对水的分离系数高，通量液不低，对分离醇离系数高，通量液不低，对分离醇-水溶液很有效。水溶液很有效。这类膜的机械强度较差，往往被水溶液溶胀，以致市这类膜的机械强度较差，往往被水溶液溶胀，以致市区机械性能。区机械性能。 合成高分子膜合成高分子膜PE、PP、PSt等非极性膜等非极性膜材料大多被用于分离烃类有机物，但选择性材料大多被用于分离烃类有机物，但选择性一般较低。一般较低。 考虑到包括渗透

32、速率、选择性、机械强度、考虑到包括渗透速率、选择性、机械强度、耐溶剂性等综合膜性能的要求，耐溶剂性等综合膜性能的要求，往往单一的往往单一的均聚物不能满足要求，均聚物不能满足要求，采用具有不同官能团采用具有不同官能团分子的接枝、共聚、复合、交联、共混的方分子的接枝、共聚、复合、交联、共混的方式可有效地改善膜性能，包括应用式可有效地改善膜性能，包括应用射线辐射射线辐射照接枝、等离子体聚合等较先进的手段。如照接枝、等离子体聚合等较先进的手段。如复合于交联只在提高膜的机械性能，同时对复合于交联只在提高膜的机械性能，同时对通量有较大的影响。通量有较大的影响。 膜材料的接枝、共聚或共混的方式主要膜材料的接

33、枝、共聚或共混的方式主要是改善通量或选择性为出发点是改善通量或选择性为出发点。其基本概念。其基本概念就是使膜中加入与某分离组分有较强亲和力就是使膜中加入与某分离组分有较强亲和力的基团或组分，以提高通量或选择性，同时的基团或组分，以提高通量或选择性，同时也增加了膜的抗溶胀性。也增加了膜的抗溶胀性。1.6.3 渗透蒸发的应用渗透蒸发的应用 渗透蒸发作为一种渗透蒸发作为一种无污染、能效高无污染、能效高的膜分的膜分离过程已经引起了广泛的兴趣，具有广泛的应离过程已经引起了广泛的兴趣，具有广泛的应用前景。用前景。 一是用亲水膜或荷电膜对醇类或其他有机一是用亲水膜或荷电膜对醇类或其他有机溶剂进行脱水；溶剂进

34、行脱水； 二是利用憎水膜除去水中的少量有机物，二是利用憎水膜除去水中的少量有机物，以及对石油工业中的烃类有机物进行分离，此以及对石油工业中的烃类有机物进行分离，此外液可以用于制药行业中的溶剂回收；外液可以用于制药行业中的溶剂回收； 三是用于有机合成。三是用于有机合成。1.7 气体分离膜气体分离膜1.7.1 气体分离膜的分离机理气体分离膜的分离机理 气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔膜。它们的分离机理各不相同。多孔膜。它们的分离机理各不相同。（1）非多孔均质膜的溶解扩散机理）非多孔均质膜的溶解扩散机理 该理论认为，气体选择性透过非多孔均质该理论认为，气体

35、选择性透过非多孔均质膜分四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜膜分四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散，中，溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另一次逸出。分子在膜的另一次逸出。 根据这一机理，研究结论如下：根据这一机理，研究结论如下： 气体的透过量气体的透过量q与扩散系数与扩散系数D、溶解度系数、溶解度系数S和气体渗透系数成正比。而这些参数与膜材料和气体渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性质直接相关。的性质直接相关。 在稳态时，气体透过量在稳态时，气体透过量q与膜面积与膜面积A和时间和时间t成成正比正比 气体透过量与膜的厚度气体透过量与膜的厚度

36、l成反比。成反比。（2）多孔膜的透过扩散机理）多孔膜的透过扩散机理 用多孔膜分离混合气体，用多孔膜分离混合气体，是借助于各种是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差气体流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。来进行的。 流体的流动用努森系数流体的流动用努森系数Kn表示时，有三表示时，有三种情况：种情况：Kn1属粘性流动；属粘性流动；Kn1属分子流属分子流动；动；Kn=1属中间流动。属中间流动。 多孔膜分离混合气体主要发生在多孔膜分离混合气体主要发生在Kn1时，时，这时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在这时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁间反复碰撞，并呈独立飞行状态。细孔内壁间反复碰撞，

37、并呈独立飞行状态。1.7.2 不同结构材料对透气性的影响不同结构材料对透气性的影响 不同结构材料的气体透过率不同结构材料的气体透过率P，扩散系数，扩散系数D和溶解系数和溶解系数S的数据总结出化学结构与透气的数据总结出化学结构与透气性的一些定性规律，性的一些定性规律，大的侧基大的侧基-CH3，-C(Me)3，-Si(Me)3 ，有利于增加自由体积而使，有利于增加自由体积而使P增加。增加。1.7.3 气体分离膜的应用气体分离膜的应用（1）H2，He的分离富集的分离富集（2）O2，N2的分离富集的分离富集（3）CO2,SO2,H2O回收和脱除回收和脱除1.8 液膜分离液膜分离1.8.1 液膜的结构液

38、膜的结构（1）膜溶剂）膜溶剂 它是成膜的基体物质它是成膜的基体物质。选择膜溶。选择膜溶剂主要考虑膜的稳定性和对溶剂的溶解性。剂主要考虑膜的稳定性和对溶剂的溶解性。（2）表面活性剂）表面活性剂 表面活性剂又称界面活性剂，表面活性剂又称界面活性剂，是分子中含有亲水基和疏水基两个部分的化是分子中含有亲水基和疏水基两个部分的化合物，可以定向排列，合物，可以定向排列，能显著地改变液体表能显著地改变液体表面张力或相互间界面张力，面张力或相互间界面张力，是制造液膜固定是制造液膜固定油水分界面的最重要的组分，它直接影响膜油水分界面的最重要的组分，它直接影响膜的稳定性、渗透速度和膜的复用。的稳定性、渗透速度和膜

39、的复用。（3）流动载体）流动载体 它的作用使它的作用使指定的溶质或离子指定的溶质或离子进行选择性迁移，进行选择性迁移，因此其对分离指定的溶质或因此其对分离指定的溶质或离子的选择性和通量起决定性作用，它的研究离子的选择性和通量起决定性作用，它的研究是液膜分离的关键。是液膜分离的关键。（4）膜增强添加剂）膜增强添加剂 其作用使膜具有合适的稳其作用使膜具有合适的稳定性，即要求液膜在分离操作过程中不过早破定性，即要求液膜在分离操作过程中不过早破裂，以保证待分离溶质在内相中富集，而在破裂，以保证待分离溶质在内相中富集，而在破乳时又容易被破碎，便于内相与膜相的分离。乳时又容易被破碎，便于内相与膜相的分离。

40、1.8.2 液膜的类型液膜的类型液膜从形态上可分为隔膜形和球膜形两种，隔膜液膜从形态上可分为隔膜形和球膜形两种，隔膜形又叫支撑型液膜，球形液膜有可分为单滴型形又叫支撑型液膜，球形液膜有可分为单滴型和乳状型两种。和乳状型两种。（1）支撑型液膜）支撑型液膜 （2）单滴型液膜）单滴型液膜（3）乳状液型液膜）乳状液型液膜1.8.3 液膜的分离机理液膜的分离机理（1）单纯迁移）单纯迁移 膜中不含流体载体，液滴内、外相也含膜中不含流体载体，液滴内、外相也含有与待分离物质发生化学反应的试剂，只是有与待分离物质发生化学反应的试剂，只是单纯靠待分离的不同组分在膜中的溶解度和单纯靠待分离的不同组分在膜中的溶解度和

41、扩散系数不同导致透过膜的速度不同来实现扩散系数不同导致透过膜的速度不同来实现分离，分离，这种液膜分离属单纯迁移渗透机理：这种液膜分离属单纯迁移渗透机理：（2）滴内化学反应（）滴内化学反应（型促进迁移）型促进迁移） 为了实现高效分离，可以采用在溶质的接为了实现高效分离，可以采用在溶质的接受相内添加与溶质能发生化学反应的试剂，受相内添加与溶质能发生化学反应的试剂，通通过化学反应来促进溶质迁移的方法。过化学反应来促进溶质迁移的方法。（3）膜相化学反应（载体输送）膜相化学反应（载体输送型促进迁移）型促进迁移） 在膜相中加入一种在膜相中加入一种流动载体流动载体，载体分子，载体分子R1先在料液（外相）侧选

42、择性的与某种溶质先在料液（外相）侧选择性的与某种溶质A发发生化学反应，生产中间产物生化学反应，生产中间产物R1A，然后这种中，然后这种中间产物扩散到膜的另一侧，与液膜内相中的间产物扩散到膜的另一侧，与液膜内相中的试剂试剂R2作用，并把该溶质作用，并把该溶质A释放出来，这样溶释放出来，这样溶质就被冲外相转入到内相，而流动载体又扩质就被冲外相转入到内相，而流动载体又扩散到外相侧，重复上述过程。散到外相侧，重复上述过程。1.8.4 液膜的应用液膜的应用（1）液膜在生物化学方面的应用）液膜在生物化学方面的应用 液膜用于生物化学无需破乳，而且用量小，液膜用于生物化学无需破乳，而且用量小，所以应用简单，很

43、有前途。在生物化学中常所以应用简单，很有前途。在生物化学中常常为了防止酶受去活性物质的干扰而需要使常为了防止酶受去活性物质的干扰而需要使酶酶“固定化固定化”。利用液膜封闭来固定酶比传。利用液膜封闭来固定酶比传统的其他酶固定方法有如下特点：统的其他酶固定方法有如下特点：容易制容易制备；备；便于固定低分子量的和多酶的体系；便于固定低分子量的和多酶的体系；在系统中加入辅助酶时，无需借助小分子在系统中加入辅助酶时，无需借助小分子载体吸附技术。载体吸附技术。（2）液膜在医学中的应用）液膜在医学中的应用 液膜在医学上用途液很广泛，液不需要破液膜在医学上用途液很广泛，液不需要破乳等复杂的操作，作为药物口服用量不大，因乳等复杂的操作，作为药物口服用量不大，因此也具有十分广阔的前景。此也具有十分广阔的前景。（3）液膜分离技术在废水处理中的应用）液膜分离技术在废水处理中的应用 液膜萃取处理含铬、硝基、酚基废水。液液膜萃取处理含铬、硝基、酚基废水。液膜分离技术还可以用于矿物浸出液的加工和稀膜分离技术还可以用于矿物浸出液的加工和稀有元素的分离。有元素的分离。